[열역학 개념의 해설] 활동도

본 포스팅은 여상도 교수님께서 지으신 '열역학 개념의 해설' 중 제24장 '활동도' 내용 요약 및 개인적인 생각을 덧붙여 작성한 것입니다.

24. 활동도

액체 상과 액체 상이 인접해있는 계의 경우, 압력 차원을 가지는 퓨개시티로 물질의 이탈성향을 표현하는 것은 적절하지 않는데요. 액체 상이 서로 접해 있는 경우에는, 두 상 사이에서 물질의 농도로 이탈성향을 표현할 수 있답니다. 즉, 물질의 농도가 높은 쪽이 이탈성향이 높고, 낮은 곳에서는 이탈성향이 낮은데요. 물질은 이탈성향이 높은(농도가 높은) 곳에서 이탈성향이 낮은(농도가 낮은) 곳으로 이동하는 것이랍니다. 

한편, 서로 다른 분자들 사이에 작용하는 힘이 동일한 이상용액의 경우 이탈성향은 물질의 농도와 동일하지만, 실제용액의 경우에는 이탈성향과 물질의 농도는 동일하지 않답니다. 

즉, 이상용액에서는 두 상에서 물질의 농도가 같으면 이탈성향이 같고 상평형을 이루지만, 실제용액에서는 두 상에서 물질의 농도가 다르더라도 상평형을 이룰 수 있답니다. 실제로, 물+초산의 용액과 비닐아세테이트+초산의 용액이 상평형을 이루는 초산의 농도를 살펴보면, 수용액상의 초산 농도는 37%이고 비닐아세테이트 상의 초산 농도는 19%라고 합니다. 이는 실제용액에서는 분자 주위에 있는 다른 분자의 종류에 따라 이탈성향이 달라지기 때문이랍니다. 

따라서 액액상평형에서의 이탈현상을 나타낼 수 있는 도구로 수정된 농도인 활동도(Activity)를 아래와 같이 새롭게 정의하였답니다. 

• a = Γ·x
• a = 활동도, Γ = 활동도 계수, x = 몰분율 
• 활동도 차원은 무차원 

이상용액이면 활동도 계수(Γ) 값은 1이고, 순물질일 때보다 혼합물일 때 분자 사이의 인력이 작으면 이탈성향이 증가하기 때문에 활동도 계수(Γ)는 1보다 큰 값을 갖고, 반대로 순물질일 때보다 혼합물일 때 분자사이의 커지면 이탈성향이 감소하기 때문에 활동도 계수(Γ)는 1보다 작은 값은 갖는답니다. 

 

한편, 혼합물 중에 포함되어 있는 특정 성분의 퓨개시티 값도 그 혼합물의 종류와 조성에 따라 변화하는데요. 활동도는 혼합물에 따라 변화하는 퓨개시티 값을 나타내기 위해 아래와 같이 정의되기도 한답니다. 

• a = f1/f0 
• a = 활동도, f1 = 혼합물에서의 퓨개시티, f0 = 순물질에서의 퓨개시티 

즉, 활동도란 혼합물 상태에 있을 때 퓨개시티를 그 성분이 순수한 상태에 있을 때의 퓨개시티로 나눈 값이고, 상대적 퓨개시티라고 불리기도 한답니다. (혼한물, 순수한 상태는 동일 온도, 동일 압력 하에 존재) 

 

마지막으로 라울의 법칙(Raoult's law)을 이용하면, 아래와 같이 두 활동도 정의가 결국 같은 의미라는 것을 알 수 있답니다. 

• P1 = x·P0 (라울의 법칙, P1 = 혼합물에서의 증기압, P0 = 순물질에서의 증기압, x=몰분율) 
• f1 = x·f0 (이상기체 → 실제기체 적용, f1 = 혼합물에서의 퓨개시티, f0 = 순물질에서의 퓨개시티)
• f1 = Γ·x·f0 (이상용액 → 실제용액 적용, Γ= 활동도 계수)
• a = Γ·x = f1/f0 (활동도 정의)

그럼 열역학 개념의 해설, 활동도에 대한 포스팅을 마치겠습니다.